ייצור ביודיזל עם תהליך מעולה ויעילות כלכלית

ערבוב על-קולי הוא הטכנולוגיה המעולה לייצור ביו-דיזל יעיל וחסכוני במיוחד. cavitation קולי משפר את העברת המסה באופן דרסטי, ובכך להפחית את עלויות הייצור ואת משך העיבוד. במקביל, ניתן להשתמש בשמנים ושומנים באיכות ירודה (למשל, שמני פסולת) ולשפר את איכות הביודיזל. Hielscher Ultrasonics מספקת ביצועים גבוהים, כורי ערבוב קולי חזק עבור כל קנה מידה הייצור. קרא עוד כיצד ייצור הביודיזל שלך יפיק תועלת מסוניקציה!

יתרונות ייצור ביודיזל באמצעות אולטרסאונד

ביודיזל (חומצת שומן מתיל אסטר, abrev. FAME) הוא תוצר של תגובת טרנסאסטריפיקציה של חומר גלם ליפידי (טריגליצרידים, למשל, שמן צמחי, שמני בישול משומשים, שומנים מן החי, שמן אצות) ואלכוהול (מתנול, אתנול) באמצעות זרז (למשל, אשלגן הידרוקסידי KOH).
הבעיה: בהמרת ביו-דיזל קונבנציונלית באמצעות ערבוב קונבנציונלי, האופי הבלתי ניתן לטעות של שני המגיבים של תגובת הטרנסאסטריפיקציה של שמן ואלכוהול מוביל לקצב העברת מסה נמוך וכתוצאה מכך לייצור ביודיזל לא יעיל. חוסר יעילות זה מאופיין בזמני תגובה ארוכים, יחסים מולאריים גבוהים יותר בין מתנול לשמן, דרישות זרז גבוהות, טמפרטורות תהליך גבוהות ושיעורי ערבוב גבוהים. גורמים אלה הם גורמי עלות משמעותיים שהופכים את ייצור הביו-דיזל הקונבנציונלי לתהליך יקר.
הפתרון: ערבוב אולטראסוני מתחלב את המגיבים בצורה יעילה ביותר, מהירה ובעלות נמוכה, כך שניתן לשפר את יחס השמן-מתנול, להפחית את דרישות הזרז, להוריד את זמן התגובה ואת טמפרטורת התגובה. בכך, נחסכים משאבים (כימיקלים ואנרגיה) כמו גם זמן, עלויות העיבוד מופחתות, בעוד איכות הביודיזל ורווחיות הייצור משתפרים באופן משמעותי. עובדות אלה הופכות את הערבוב העל-קולי בטכנולוגיה המועדפת לייצור ביו-דיזל יעיל.
מחקר ויצרני ביודיזל תעשייתיים מאשרים כי ערבוב קולי הוא דרך חסכונית ביותר לייצר ביודיזל, גם כאשר שמנים ושומנים באיכות ירודה משמשים כחומרי הזנה. הגברת התהליך העל-קולי משפרת באופן משמעותי את יחס ההמרה, מפחיתה את השימוש בעודף מתנול וזרז, ומאפשרת לייצר ביו-דיזל העומד בתקן האיכות של מפרטי ASTM D6751 ו-EN 14212. (ראה: עבדאללה ואח', 2015)

טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים לביודיזל (FAME) באמצעות סוניקציה גורמת לתגובה מואצת וליעילות גבוהה משמעותית.

יתרונות רבים של ערבוב קולי בייצור ביודיזל

ניתן לשלב בקלות כורי ערבוב על-קוליים בכל מתקן חדש, כמו גם להתקין רטרו במפעלי ביו-דיזל קיימים. השילוב של מיקסר קולי Hielscher הופך כל מתקן ביודיזל לתוך מפעל ייצור ביצועים גבוהים. התקנה פשוטה, חוסן וידידותיות למשתמש (אין צורך בהכשרה ספציפית לתפעול) מאפשרים שדרוג של כל מתקן למפעל ביודיזל יעיל ביותר. להלן, אנו מציגים בפניכם תוצאות מוכחות מדעית של יתרונות המתועדים על ידי צדדים שלישיים בלתי תלויים. המספרים מוכיחים את עליונותו של ערבוב ביו-דיזל על-קולי על פני כל טכניקת ערבוב קונבנציונלית.

תרשים הזרימה מציג את שלבי ייצור הביו-דיזל, כולל ערבוב על-קולי לשיפור יעילות התהליך.

יעילות והשוואת עלויות: אולטרסאונד לעומת ערבוב מכני

Gholami et al. (2021) מציגים במחקרם ההשוואתי את היתרונות של טרנסאסטריפיקציה קולית על פני ערבוב מכני (כלומר, מערבל להב, אימפלר, מערבל גזירה גבוהה).
עלויות השקעה: המעבד העל-קולי והכור UIP16000 יכולים לייצר 192-384 טון ביודיזל/ד' עם טביעת רגל של 1.2 מ' x 0.6 מ' בלבד. לשם השוואה, עבור ערבוב מכני (MS) נדרש כור גדול בהרבה בשל זמן התגובה הארוך בתהליך הסטרירנג המכני, הגורם לעלות הכור לעלות משמעותית. (ראה: Gholami et al., 2020)
עלויות עיבוד: עלויות העיבוד של ייצור ביו-דיזל על-קולי נמוכות ב-7.7% מאלה של תהליך הערבוב, בעיקר בגלל ההשקעה הכוללת הנמוכה יותר בתהליך הסוניקציה. עלות הכימיקלים (זרז, מתנול/אלכוהול) היא גורם העלות השלישי בגודלו הן בתהליכים, סוניקציה וערבוב מכני. עם זאת, עבור המרת ביודיזל קולי עלויות הכימיקלים נמוכות משמעותית מאשר עבור ערבוב מכני. חלק העלות עבור כימיקלים מהווה כ -5% מעלות הביודיזל הסופית. בשל הצריכה הנמוכה יותר של מתנול, נתרן הידרוקסידי וחומצה זרחתית, עלות הכימיקלים בתהליך הביודיזל העל-קולי נמוכה ב-2.2% מזו של תהליך הערבוב המכני.
עלויות אנרגיה: האנרגיה הנצרכת על ידי כור הערבוב העל-קולי נמוכה בערך פי שלושה מזו הנצרכת על ידי המערבל המכני. הפחתה ניכרת זו בצריכת האנרגיה היא תוצר של מיקרו-ערבוב אינטנסיבי וזמן תגובה מופחת, הנובע מייצור וקריסה של אינספור חללים, המאפיינים את תופעת הקוויטציה האקוסטית/אולטראסונית (Gholami et al., 2018). בנוסף, בהשוואה למערבל הקונבנציונלי, צריכת האנרגיה לשלבי התאוששות מתנול וטיהור ביודיזל בתהליך הערבוב העל-קולי מופחתת ב-26.5% וב-1.3%, בהתאמה. ירידה זו נובעת מכמויות נמוכות יותר של מתנול הנכנסות לשני עמודי זיקוק אלה בתהליך הטרנסאסטריפיקציה העל-קולי.
עלויות פינוי פסולת: טכנולוגיית cavitation קולי גם מפחית להפליא את העלות של סילוק פסולת. עלות זו בתהליך הסוניקציה היא כחמישית מזו בתהליך הערבוב, הנובעת מהירידה המשמעותית בייצור הפסולת עקב המרה גבוהה יותר של כורים וכמויות נמוכות יותר של אלכוהול נצרך.
קראו עוד על המרת ביו-דיזל על-קולי של שמנים מקפה טחון משומש!
ידידותיות לסביבה: בשל היעילות הכוללת הגבוהה מאוד, הצריכה הכימית המופחתת, דרישות האנרגיה הנמוכות יותר ופסולת מופחתת, ייצור ביודיזל על-קולי ידידותי יותר לסביבה באופן משמעותי מתהליכי ייצור ביודיזל קונבנציונליים.

מסקנה – אולטרסאונד משפר את יעילות ייצור הביו-דיזל

ההערכה המדעית מראה את היתרונות הברורים של ערבוב קולי על פני ערבוב מכני קונבנציונלי לייצור ביודיזל. היתרונות של עיבוד ביודיזל קולי כוללים השקעת הון כוללת, עלות המוצר הכוללת, ערך נוכחי נקי ושיעור תשואה פנימי. סכום ההשקעה הכולל בתהליך הקוויטציה העל-קולי נמצא נמוך מזה של אחרים בכ-20.8%. שימוש בכורים על-קוליים הוזיל את עלויות המוצר ב-5.2% – שימוש בשמן קנולה כתית. מכיוון שסוניקציה מאפשרת לעבד גם שמנים משומשים (למשל, שמני בישול משומשים), עלויות הייצור יכולות להיות מופחתות באופן משמעותי יותר. Gholami et al. (2021) מגיעים למסקנה כי בשל ערך נוכחי נטו חיובי, תהליך cavitation קולי הוא הבחירה הטובה יותר של טכנולוגיית ערבוב לייצור ביודיזל.
מנקודת מבט טכנית, ההשפעות החשובות ביותר של קוויטציה קולית משתרעות על יעילות התהליך המשמעותית והפחתת זמן התגובה. היווצרות וקריסה של בועות ואקום רבות – ידוע בשם קוויטציה אקוסטית / קולית – צמצם את זמן התגובה ממספר שעות בכור המיכל המתעורר למספר שניות בכור הקוויטציה העל-קולי. זמן שהייה קצר זה מאפשר ייצור ביודיזל בכור זורם עם טביעת רגל קטנה. כור הקוויטציה העל-קולי מראה גם השפעות מועילות על דרישות האנרגיה והחומרים, ומפחית את צריכת האנרגיה לכמעט שליש מזו הנצרכת על ידי כור מיכל ערבוב וצריכת מתנול וזרז ב -25%.
מבחינה כלכלית, ההשקעה הכוללת של תהליך הקוויטציה העל-קולי נמוכה מזו של תהליך הערבוב המכני, בעיקר בשל הפחתה של כמעט 50% ו-11.6% בעלות הכור ובעלות עמוד זיקוק מתנול, בהתאמה. תהליך הקוויטציה העל-קולי מפחית גם את עלות ייצור הביו-דיזל הודות להפחתה של 4% בצריכת שמן קנולה, השקעה כוללת נמוכה יותר, צריכת כימיקלים נמוכה ב-2.2% ודרישות שירות נמוכות ב-23.8%. שלא כמו תהליך מעורר מכנית, עיבוד קולי הוא השקעה מקובלת בשל הערך הנוכחי נטו חיובי שלה, זמן החזר קצר יותר, שיעור תשואה פנימי גבוה יותר. בנוסף ליתרונות הטכנו-כלכליים הקשורים לתהליך הקוויטציה העל-קולי, הוא ידידותי יותר לסביבה מאשר תהליך הערבוב המכני. קוויטציה על-קולית מביאה להפחתה של 80% בזרמי הפסולת בשל ההמרה הגבוהה יותר בכור וצריכת אלכוהול מופחתת בתהליך זה. (ראה: Gholami et al., 2021)

השתמש בזרז לבחירתך

תהליך טרנסאסטריפיקציה קולי של ביודיזל הוכח כיעיל באמצעות זרזים בסיסיים או בסיסיים. לדוגמה, Shinde and Kaliaguine (2019) השוו את היעילות של ערבוב להבים קולי ומכני באמצעות זרזים שונים, כלומר נתרן הידרוקסידי (NaOH), אשלגן הידרוקסידי (KOH), (CH₃ONa), טטרמתיל אמוניום הידרוקסיד וארבעה גואנידינים (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). ערבוב על-קולי (ב-35º) כפי שמוצג כטוב יותר לייצור ביו-דיזל ומצטיין בערבוב מכני (ב-65º) על ידי תפוקות ויחס המרה גבוהים יותר. יעילות העברת המסה בשדה האולטרסאונד הגבירה את קצב תגובת הטרנסאסטריפיקציה בהשוואה לערבוב מכני. הסוניקציה השיגה ביצועים טובים יותר מערבוב מכני עבור כל הזרזים שנבדקו. הפעלת תגובת הטרנסאסטריפיקציה עם קוויטציה קולית היא חלופה חסכונית באנרגיה ובת קיימא מבחינה תעשייתית לייצור ביודיזל. מלבד הזרזים הנפוצים KOH ו-NaOH, שני זרזי גואנידין, פרופיל-2,3 דיקקלוהקסילגואנידין (PCHG) ו-1,3-דיקקלוהקסיל 2 n-אוקטילגואנידין (DCOG), הוכחו שניהם כאלטרנטיבים מעניינים להמרת ביודיזל.
Mootabadi et al. (2010) חקרו סינתזת ביודיזל בסיוע קולי משמן דקלים באמצעות זרזים שונים של תחמוצת מתכת בסיסית כגון CaO, BaO ו- SrO. פעילות הזרז בסינתזה של ביו-דיזל בסיוע על-קולי הושוותה לתהליך הערבוב המגנטי המסורתי, ונמצא כי התהליך העל-קולי הראה 95.2% מהתפוקה באמצעות BaO בתוך זמן תגובה של 60 דקות, שאחרת לוקח 3-4 שעות בתהליך הערבוב הקונבנציונלי. עבור טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרה-סאונד בתנאים אופטימליים, נדרשו 60 דקות כדי להשיג תפוקה של 95% בהשוואה ל-2-4 שעות עם ערבוב קונבנציונלי. כמו כן, התשואות שהושגו עם אולטרסאונד תוך 60 דקות עלו מ-5.5% ל-77.3% באמצעות CaO כזרזים, 48.2% ל-95.2% באמצעות SrO כזרזים, ו-67.3% ל-95.2% באמצעות BaO כזרזים.

ייצור ביודיזל באמצעות גואנידינים שונים (3% mol) כזרז. (A) אצווה מערבבת מכנית: (מתנול:שמן קנולה) 4:1, טמפרטורה 65ºC; (B) כור אצווה אולטרסאונד: אולטרסוניקטור UP200St, (מתנול:שמן קנולה) 4:1, 60% משרעת אמריקאית, טמפרטורה 35ºC. ערבוב מונע אולטרסאונד עולה בביצועיו על ערבוב מכני בהרבה.
(מחקר וגרפים: Shinde and Kaliaguine, 2019)

כורים על-קוליים בעלי ביצועים גבוהים לעיבוד ביו-דיזל מעולה

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים קוליים בעלי ביצועים גבוהים וכורים לשיפור ייצור הביודיזל וכתוצאה מכך תפוקות גבוהות יותר, איכות משופרת, זמן עיבוד מופחת ועלויות ייצור נמוכות יותר.

כורי ביודיזל קטנים ובינוניים

לייצור ביודיזל בגודל קטן ובינוני של עד 9 טון לשעה (2900 גל/שעה), Hielscher מציעה לך את UIP500hdT (500 וואט), UIP1000hdT (1000 וואט), UIP1500hdT (1500 וואט)ו UIP2000hdT (2000 וואט) דגמי מיקסר בעלי גזירה גבוהה אולטראסוניים. ארבעת הכורים העל-קוליים האלה קומפקטיים מאוד, קלים לשילוב או מתאימים רטרו. הם בנויים לפעולה כבדה בסביבות קשות. להלן תמצאו תצורות כורים מומלצות למגוון קצבי ייצור.

כורי ביודיזל תעשייתיים בעלי תפוקה גדולה מאוד

עבור עיבוד תעשייתי ביודיזל ייצור מפעלים Hielscher מציעה את UIP4000hdT (4kW)UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ו UIP16000hdT (16kW) הומוגנייזרים קוליים! מעבדים קוליים אלה מיועדים לעיבוד מתמשך של קצבי זרימה גבוהים. ניתן לשלב את UIP4000hdT, UIP6000hdT ו- UIP10000 במכולות הובלה ימית סטנדרטיות. לחלופין, כל ארבעת דגמי המעבדים זמינים בארונות נירוסטה. התקנה זקופה דורשת שטח מינימלי. להלן תמצא הגדרות מומלצות עבור קצבי עיבוד תעשייתיים טיפוסיים.